Cibles et mécanismes d action des anticorps thérapeutiques et protéines de fusion

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1 Cibles et mécanismes d action des anticorps thérapeutiques et protéines de fusion Hervé Watier Jean-Michel Bidart, Olivier Lambotte, Hélène Moins-Teisserenc, Gilles Thibault, I-Introduction 2 II-Optimisation des anticorps thérapeutiques 2 III-Anticorps thérapeutiques neutralisants 3 IV-Anticorps thérapeutiques antagonistes 4 V-Anticorps thérapeutiques cytolytiques 5 VI-Biomédicaments anti-tnf 7

2 I-Introduction Dès 1891, l emploi de sérum de chevaux immunisés a donné le coup d envoi à l utilisation thérapeutique de ce qu on ignorait encore être des anticorps. A cette époque commence la sérothérapie anti-diphtérique, suivie, entre autres, de la sérothérapie anti-tétanique, antipesteuse ou anti-méningococcique, déclenchant une première révolution thérapeutique. La purification de la fraction immunoglobulinique, la production de fragments Fab et F(ab) 2 à partir de sérum ou de plasma, et dès que possible le recours à des plasmas humainsa permis ensuite d améliorer la tolérance de ces produits. Ces préparations provenant d individus (animaux ou humains) immunisés, contiennent des anticorps de nombreuses spécificités. On parle de préparations d anticorps polyclonaux. Dans les années 1970, Georges Köhler et César Milstein ont découvert la possibilité d immortaliser et de faire proliférer des clones de cellules B de souris produisant chacun un seul type d anticorps. Il s agit de la technologie des hybridomes. Ces anticorps, dits monoclonaux, reconnaissent un seul épitope. Il a ensuite été possible,grâce au génie génétique, de produire des anticorps monoclonaux humanisés puis humains. Ces progrès ont permis que les anticorps révolutionnent à nouveau la thérapeutique à partir de la fin des années Ces anticorps recombinants, ainsi que les molécules apparentées telles que les protéines de fusion à Fc, appartiennent aux biomédicaments. II-Optimisation des anticorps thérapeutiques Les immunoglobulines sont des protéines, donc potentiellement immunogènes. Toute administration de protéine thérapeutique comporte ainsi un risque d immunogénicité. Celle-ci dépend du biomédicament lui-même selon le degré de divergence épitopique entre la protéine injectée et les protéines endogènes. Les conditions d administration et le statut immunitaire du patient influent également sur ce paramètre. La survenue d anticorps antibiomédicament peut entraîner une diminution de son efficacité, par neutralisation et/ou accélération de sa clairance. Par ailleurs, des réactions immunitaires indésirables peuvent survenir. Il peut s agir d anaphylaxie (hypersensibilité de type I) ou de maladie sérique (hypersensibilité de type III). L efficacité et la tolérance de la sérothérapie ont pu être améliorées quand les sérums équins ont pu être remplacés par des préparations polyclonales issues de volontaires vaccinés ou de convalescents. L échec relatif des anticorps monoclonaux thérapeutiques murins, dans les années 1980, lié à leur immunogénicité, a ensuite poussé au développement d anticorps monoclonaux rendus plus humains grâce au génie génétique. Les différentes étapes de cette humanisation ont conduit au remplacement progressif des domaines constants, puis des régions charpentes des domaines variables des immunoglobulines monoclonales murines par leurs homologues

3 humains, réduisant considérablement le potentiel immunogène de ces biomédicaments. Les suffixes (m)omab, ximab, zumab, (m)umab retracent les progrès de cette ingénierie, puisqu ils correspondent respectivement aux anticorps monoclonaux murins, chimériques, humanisés et humains (Figure 1). A chaque progrès, la diminution de l'immunogénicité de ces biomédicaments a augmenté leur durée d'action et leur efficacité in vivo. Cependant, quel que soit le degré d humanisation, et même si l anticorps dérive de gènes d immunoglobulines humains, l idiotype reste issu d une recombinaison génétique unique et garde un certain potentiel d immunogénicité. Autrement dit, tout anticorps humain reste immunogène, ne serait-ce que par son idiotype. Par ailleurs, dès l utilisation d anticorps monoclonaux murins modifiés pour posséder une portion Fc humaine, la diminution de l immunogénicité s est accompagnée de nouvelles propriétés de ces biomédicaments. En effet, cette portion Fc entraîne une augmentation de la demi-vie de l anticorps par liaison aux récepteurs FcRn, et le recrutement d effecteurs de l immunité par liaison au C1q et/ou aux récepteurs Fc R des cellules cytotoxiques ou phagocytaires. Ces propriétés pharmacologiques intéressantes sont également exploitées dans toutes les protéines de fusion comportant un Fc humain. A noter que les médicaments de ce type se terminent par le suffixe cept. III-Anticorps thérapeutiques neutralisants Si l anticorps se lie à l antigène avec suffisamment d affinité et que l épitope reconnu concerne un site critique dans la fonction de l antigène-cible, l anticorps exerce une action de neutralisation. Cette neutralisation concerne des cibles antigéniques solubles, comme des toxines ou des cytokines, ou des virus ou des récepteurs de virus. Le biomédicament empêche alors l interaction entre ces molécules ou ces virus et leur cible cellulaire. Les immunoglobulines anti-tétaniques, qui sont des IgG humaines polyclonales, sont encore largement utilisées pour la neutralisation de ces toxines microbiennes. Il existe également une IgG1 monoclonale anti-toxine du bacille du charbon qui pourrait être utile en cas d attaque bioterroriste (raxibacumab). En ce qui concerne la prévention des infections virales, il existe des préparations polyclonales d IgG humaines à teneur garantie en anticorps neutralisants anti-hépatite B ou en anticorps anti-virus de la varicelle. Un anticorps monoclonal neutralisant, le palivizumab, est dirigé contre la protéine F du virus respiratoire syncytial. Ces anticorps ont une visée prophylactique, et il est donc important qu ils aient une demi-vie longue, ce qui explique qu il s agisse d IgG entières et non de fragments d anticorps. L activité de neutralisation des anticorps peut également être utilisée en situation d urgence comme antidote dans le cas d envenimations, ou de surdosages en médicaments comme les

4 digitaliques. Ce sont des préparations polyclonales animales (cheval, mouton), fractionnées et utilisées sous la forme de fragments Fab ou F(ab ) 2 d IgG. Des anticorps monoclonaux ciblant et neutralisant des autoantigènes solubles ont aussi été développés. Un bon exemple est celui des anticorps dirigés contre le VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor).Le bévacizumab est une IgG1 entière utilisée en cancérologie, tandis que le ranibizumab est un fragment Fab utilisé en injections vitréennes dans la dégénérescence maculaire liée à l âge (DMLA),. D autres anticorps monoclonaux recombinants neutralisant des cibles solubles sont actuellement utilisés (Tableau 1). IV-Anticorps thérapeutiques antagonistes Cibler spécifiquement un récepteur membranaire, et bloquer la liaison de son ou de ses ligands ou son fonctionnement, n est devenu réellement possible qu avec les anticorps monoclonaux. Plusieurs biomédicaments ont reçu une autorisation de mise sur le marché et sont utilisés en thérapeutique. Ils peuvent être regroupés en anticorps anti-récepteurs de cytokines et anti-récepteurs de facteurs de croissance, anticorps anti-intégrines (molécules d adhésion, cf livre L2) et biomédicaments interférant avec les synapses immunologiques. Il y a six anticorps anti-récepteurs de cytokines ou anti-récepteurs de facteurs de croissance: - deux anticorps IgG1 dirigés contre la chaîne de l IL-2R (CD25), le basiliximab et le daclizumab. Ces anticorps inhibent la prolifération lymphocytaire T et sont utilisés comme immunosuppresseurs, notamment en transplantation - une IgG1 dirigée contre la chaîne du récepteur de l IL-6, le tocilizumab, limite les phénomènes inflammatoires et est indiquée notamment dans la polyarthrite rhumatoïde - deux anticorps contre le récepteur de l Epidermal Growth Factor (EGFR), une IgG1 (cétuximab) et une IgG2 (panitumumab) bloquent la croissance tumorale et sont indiqués dans le traitement des adénocarcinomes coliques et, pour, le cétuximab, des carcinomes épidermoïdes de la sphère ORL. Comme ils perturbent aussi la physiologie de l épiderme, ils entraînent des effets indésirables cutanés - une IgG1 dirigée contre le récepteur HER-2 (erbb2), le trastuzumab, est indiqué dans le traitement des tumeurs du sein et de l estomac surexprimant cet oncogène. On recense trois anticorps anti-intégrines: - l abciximab, un fragment Fab d IgG1 anti-gpiibiiia (intégrine plaquettaire) qui bloque l agrégation plaquettaire et qui est utilisé ponctuellement dans les syndromes coronariens aigus - l éfalizumab, une IgG1 anti-lfa-1 (anti-cd11a), qui bloque le trafic transendothélial des lymphocytes T et réduit les infiltrats inflammatoires. Initialement indiqué dans le

5 psoriasis, il a été retiré du marché du fait de risques infectieux trop élevés (leucoencéphalopathie multifocale progressive à virus JC) - le natalizumab, une IgG4 anti-vla-4 (CD49d), bloquant également le trafic lymphocytaire, est indiqué dans la sclérose en plaques. Il comporte les mêmes risques que l éfalizumab mais le rapport bénéfice/risque élevé justifie sa prescription. Enfin, cinq biomédicaments interférent avec les synapses immunologiques: - l alefacept est une protéine de fusion entre l ectodomaine de LFA-3 (CD58) et le Fc d une IgG1. En se liant au CD2 des lymphocytes T, l alefacept empêche l interaction CD2-LFA-3. Il est prescrit aux Etats-Unis (pas en Europe) dans le traitement du psoriasis. - l abatacept et le bélatacept sont des protéines de fusion entre l ectodomaine de CTLA4 (CD152), un antigène lymphocytaire T apparenté à CD28 mais doué de propriétés immunorégulatrices, et le Fc d une IgG1. Elles se lient aux molécules de costimulation CD80 et CD86 des cellules présentatrices d antigène avec une plus forte affinité que CD28 (bélatacept plus fortement qu abatacept). De ce fait, elles bloquent le second signal et empêchent l activation des lymphocytes T. Leur activité immunosuppressive est mise à profit dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde (abatacept) et en transplantation (bélatacept). - l ipilimumab est à l inverse une IgG1 anti-ctla4 qui potentialise les réponses lymphocytaires T. Il est utilisé dans le mélanome pour doper les réponses immunitaires contre la tumeur, mais des effets indésirables de type auto-immuns sont assez fréquemment observés - le bélimumab est une IgG1 anti-baff (B-cell Activating Factor belonging to the TNF Family ou CD257), une cytokine membranaire exprimée par divers types cellulaires et activant les lymphocytes B par le biais de récepteurs spécifiques. Bloquant certaines réponses humorales, le bélimumab est indiqué dans le lupus érythémateux systémique. V-Anticorps thérapeutiques cytolytiques Dès lors qu un anticorps se fixe sur un antigène membranaire, il peut avoir un effet cytotoxique pour la cellule cible. Cet effet peut être recherché (effet désiré), comme dans le cas d une cible cancéreuse, ou non (effet indésirable). Les fragments Fab sont dépourvus d effet cytotoxique, il faut donc que la portion Fc soit présente. L effet cytolytique peut résulter de la capacité de l anticorps à activer la voie classique du complément jusqu au complexe d attaque membranaire. Ils peuvent aussi recruter des cellules cytotoxiques/phagocytaires, porteuses de Fc R activateurs (cellules NK,

6 macrophages, polynucléaires) tuant leur cible par un mécanisme de cytotoxicité cellulaire dépendante des anticorps (ADCC, cf. livre L2). Si des effets cytolytiques sont recherchés, le choix d une IgG1 est le plus logique car c est la classe d anticorps qui se révèle la meilleure pour la liaison au C1q (activation de la voie classique du complément) et aux Fc R. Si les effets cytolytiques sont à éviter, il vaut mieux choisir une IgG2 ou une IgG4. Certains anticorps sont aussi par eux-mêmes capables d induire l apoptose de la cellule portant l antigène qu ils reconnaissent. Les anticorps antagonistes mentionnés plus haut, par définition, se fixent sur des protéines membranaires. Ils peuvent donc aussi se révéler cytotoxiques si ce sont des IgG1. En pratique et pour des raisons encore obscures, cette cytotoxicité des IgG1 antagonistes n est pas systématiquement observée. Ainsi, le cétuximab et le trastuzumab sont cytotoxiques pour leurs cibles alors que le basiliximab et l éfalizumab ne semblent pas l être. Certains anticorps thérapeutiques, polyclonaux ou monoclonaux ont été spécifiquement développés pour leurs seules propriétés cytotoxiques : - le sérum anti-lymphocytaire (SAL, ou ATG, Anti-Thymocyte Globulins) est préparé chez le lapin par immunisation avec des thymocytes (lymphocytes T) humains. Ce sont donc des IgG à la fois polyclonales et polyspécifiques puisqu elles reconnaissent de nombreux antigènes membranaires. La déplétion T profonde qu elles induisent transitoirement chez le patient permet la prise des allogreffes, en attendant le relais par les immunosuppresseurs - les immunoglobulines (humaines) anti-rhésus D sont préparées à partir de donneurs Rh(D) négatifs, délibérément immunisés avec des hématies Rh(D)+. Ces préparations polyclonales sont utilisées en obstétrique, chez les femmes Rh(D)- porteuses d un fœtus Rh(D)+, pour permettre l hémolyse des hématies fœtales passées dans la circulation maternelle, prévenir l immunisation anti-rh(d) et ainsi la maladie hémolytique d un futur nouveau-né Rh(D)+ - le muromonab est une IgG2a murine dirigée contre la chaîne de CD3, qui entraîne la cytolyse des lymphocytes T, comme le fait le sérum anti-lymphocytaire. Ce fut le premier anticorps monoclonal à obtenir une AMM, mais sa profonde activité immunosuppressive l a fait progressivement abandonner - l alemtuzumab est une IgG1 dirigée contre CD52, un antigène fortement exprimé à la surface de plusieurs populations lymphocytaires. Il est indiqué dans le traitement de la leucémie lymphoïde chronique B. Il provoque néanmoins une forte déplétion lymphocytaire T, responsable d une immunodépression profonde - les anticorps IgG1 anti-cd20 ont été développés pour cibler spécifiquement la lignée lymphocytaire B, et sont indiqués dans de nombreuses hémopathies lymphoïdes B et

7 dans certaines maladies auto-immunes. A côté du rituximab, leur chef de file, qui est capable d induire de l apoptose, une activation du complément et une ADCC, de nouveaux anti-cd20 sont développés tel l ofatumumab, sélectionné pour sa plus grande capacité à activer le complément. VI-Biomédicaments anti-tnf Ces biomédicaments méritent d être mis en exergue car ils ont révolutionné la prise en charge de nombreuses maladies inflammatoires et auto-immunes. De plus, bien qu ils aient tous la propriété de neutraliser le TNF- soluble, ils peuvent avoir d autres propriétés qui les distinguent des anticorps neutralisants. - les trois anticorps IgG1 anti-tnf- sont très semblables dans leur pharmacologie, même si l un est chimérique, l infliximab, et les deux autres entièrement humains, l adalimumab et le golimumab. Capables de se lier au TNF- membranaire, ils se rapprochent ainsi des anticorps antagonistes mais peuvent exercer une action cytolytique sur les cellules inflammatoires productrices de TNF-. Ils sont indiqués dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde, des spondylarthropathies, du psoriasis et de la maladie de Crohn. Tous sont immunogènes au moins par leur idiotype, mais, leur paratope étant différent, la survenue d anticorps contre l un d eux n empêche pas l utilisation des deux autres - l étanercept est une protéine de fusion entre l ectodomaine du récepteur TNF-RII et le Fc d une IgG1. Il se lie surtout au TNF- soluble, mais pratiquement pas au TNF- membranaire. C est donc essentiellement un biomédicament neutralisant empêchant la fixation du TNF- à ses récepteurs. Il est indiqué dans la polyarthrite rhumatoïde et dans le psoriasis, mais n est pas actif dans la maladie de Crohn - Le certolizumab pégol est un fragment Fab d IgG1 anti-tnf- couplé à des chaînes de polyéthylène glycol (PEG) qui protègent le fragment Fab, permettant d en prolonger la demi-vie (en l absence de Fc) et de diminuer son immunogénicité. Bien que se liant au TNF- membranaire, il n est pas cytolytique puisque dépourvu de Fc. C est donc un anticorps antagoniste. Il est indiqué dans la polyarthrite rhumatoïde et la maladie de Crohn. On conclura ce chapitre en disant qu il a toutes les chances de se retrouver très vite incomplet, tant cette classe de biomédicaments est appelée à s accroître dans les prochaines années!

8 A retenir : Depuis plus de 100 ans, avec l avènement de la sérothérapie, les anticorps ont fait la preuve de leur intérêt en thérapeutique Les anticorps thérapeutiques peuvent être polyclonaux ou monoclonaux L humanisation plus ou moins complète des anticorps monoclonaux favorise leur efficacité et leur tolérance, mais un anticorps, tout humain qu il soit, reste immunogène par son idiotype La portion Fc des IgG entières et des protéines de fusion à Fc offre une longue demivie à ces biomédicaments, grâce à l interaction avec le FcRn On distingue des anticorps neutralisants (cibles solubles), des anticorps antagonistes (cibles membranaires) et des anticorps cytolytiques (cibles membranaires) Les anticorps neutralisants peuvent être dirigés contre des antigènes exogènes (toxines bactériennes, venins, médicaments, virus) ou contre des autoantigènes solubles tels que des facteurs de croissance ou des cytokines Les anticorps antagonistes sont de trois types : anti-récepteurs (de cytokines ou de facteurs de croissance), anti-intégrines et biomédicaments interférant avec les synapses immunologiques Les anticorps cytolytiques sont soit des polyclonaux, soit des monoclonaux de la classe IgG1. Par leur fragment Fc, ils peuvent déclencher l activation du complément par la voie classique et/ou induire une cytotoxicité dépendante de cellules immunitaires cytotoxiques Les biomédicaments anti-tnf forment un groupe à part, du fait de leurs nombreuses indications dans les maladies inflammatoires chroniques, et de différences subtiles dans leurs propriétés biologiques Beaucoup d anticorps thérapeutiques ont des activités immunosuppressives, avec les risques infectieux qui leur sont liés ; un petit groupe est immunostimulant, avec des risques d induction d une auto-immunité.

9 Tableau 1. Exemples d anticorps monoclonaux thérapeutiques Anticorps Cible Mécanisme Indication omalizumab IgE Blocage de la liaison au Fc RI des mastocytes et des basophiles éculizumab C5 Blocage de la formation du complexe d attaque membranaire du complément canakinumab IL-1 Neutralisation de l IL- 1 ustékinumab IL-12, IL-23 Neutralisation de l IL- 12 et de l IL-23 par reconnaissance de la portion p40 commune Asthme allergique Hémoglobinurie nocturne paroxystique, Syndromes hémolytiques et urémiques atypiques syndrome de Muckle-Wells (maladie autoinflammatoire) Psoriasis

10 Figure 1.